Kurczące się możliwości deponowania odpadów oraz zagrożenia, jakie niosły dla środowiska składowiska, przyniosły pilną potrzebę szukania innych sposobów unieszkodliwiania odpadów komunalnych. Jednym z nich, i to bardzo skutecznym, okazało się ich spalanie. Technologia TPOK daje ogromne możliwości redukowania objętości odpadów (a tym samym miejsca potrzebnego na składowanie pozostałości po spaleniu) oraz wykorzystania energii odzyskanej ze spalania odpadów komunalnych.



Rys. 1. Przykład rozwiązania konstrukcyjnego segmentu kotła odzyskowego zintegrowanego z paleniskiem

 
Początki były jednak bardzo trudne i niosły za sobą wiele niedogodności i zagrożeń, z których w początkowej fazie takiego unieszkodliwiania odpadów nie zdawano sobie sprawy. Pierwsze próby spalania na większą skalę odbywały się na rusztach kotłów węglowych, jednak zorientowano się, że technologicznie takie kotły nie nadają się do tego celu. Problemy z korozją w krótkim czasie prowadziły do degradacji zarówno elementów ciśnieniowych, jak i pozostałych urządzeń. Również ze względu na ochronę środowiska spalanie odpadów w tradycyjnych kotłach okazało się niedobrym rozwiązaniem, ponieważ powoduje znaczące zanieczyszczenie środowiska.
Podjęto szereg prób i badań w celu znalezienia odpowiednich, efektywnych eksploatacyjnie i bezpiecznych ekologicznie rozwiązań. Do pracy włączyły się instytuty badawcze, by współpracować w wypracowaniu optymalnych cząstkowych rozwiązań procesowych i technicznych.



 
Rys. 2. Pola korozji wysokotemperaturowej

 
Mówiąc w pewnym uproszczeniu, można wyróżnić trzy główne obszary działań, które decydują, że obecne instalacje termicznego przekształcania odpadów stały się instalacjami o wysokiej dyspozycyjności, bezpiecznymi w obsłudze i przyjaznymi dla środowiska:
·      przygotowanie odpadów (paliwa) i technologia spalania,
·      konstrukcja zintegrowanego z paleniskiem kotła parowego służącego do odzysku ciepła (rys. 1),
·      oczyszczanie spalin.
Wieloletnie wysiłki i uczenie się na błędach dały zadowalające rezultaty, należy jednak pamiętać, że instalacje TPOK należą do przedsięwzięć procesowo i technicznie skomplikowanych i trudnych w eksploatacji, a ich projektowanie wymaga ogromnej wiedzy i doświadczenia.
Projektowanie kotłów do termicznej utylizacji odpadów, prócz zagadnień typowych dla kotłów tradycyjnych, takich jak cyrkulacja czynnika w parowniku czy dobór i wytrzymałość materiałów, wymaga uwzględnienia szeregu specyficznych czynników, właściwych dla tego typu urządzeń. W przedstawionym opracowaniu skoncentrowano się na trzech kluczowych zagadnieniach w dziedzinie projektowania kotłów odzyskowych dla instalacji spalania odpadów, które wymagają wnikliwej analizy i staranności na etapie projektowania i ostatecznie decydują o końcowym eksploatacyjnym i ekologicznym sukcesie. Mowa tu o korozji i erozji powierzchni ogrzewalnych, zanieczyszczeniu powierzchni ogrzewalnych kotła i ich eksploatacyjnym oczyszczaniu oraz o ochronie środowiska.




 
Korozja i erozja powierzchni ogrzewalnych
Jak już wspomniano, głównym problemem projektowym i eksploatacyjnym jest korozja elementów powierzchni wymiany ciepła w kotle. Korozję kotłów do termicznego przekształcania odpadów można podzielić na cztery zasadnicze kategorie:
·      korozja w komorze paleniskowej spowodowana CO-HCl,
·      wysokotemperaturowa korozja na powierzchniach przegrzewaczy,
·      niskotemperaturowa korozja na powierzchniach ECO,
·      korozja erozyjna na wszystkich powierzchniach.
Efektem badań naukowych i doświadczeń eksploatacyjnych jest m.in. określenie pól temperaturowych, które są bezpieczne lub „groźne” dla funkcjonowania kotła odzyskowego w instalacjach spalania odpadów. Obrazowo i wygodnie dla praktyki projektowej można to przedstawić na tzw. wykresie pól korozji wysokotemperaturowej, który w zależności od temperatury spalin i temperatury zewnętrznych powierzchni rur wytycza obszary występowania intensywnej korozji (rys. 2). Obszar na lewo od krzywych wykresu to pole temperatur występowania intensywnej korozji na powierzchniach wymiany ciepła, a na prawo to – z punktu widzenia zagrożenia korozją wysokotemperaturową – obszar bezpiecznych parametrów temperaturowych.
W celu zminimalizowania zjawiska korozji projektant kotła musi umiejętnie dobrać i rozmieścić powierzchnie ogrzewalne w kotle, aby punkt pracy każdego elementu kotła, biorąc pod uwagę temperaturę spalin, w jakiej będą pracowały poszczególne fragmenty powierzchni wymiany ciepła w najbardziej niekorzystnych warunkach eksploatacyjnych, znajdował się w prawej części wykresu. Projektowe rozwiązanie, zapewniające takie warunki pracy, oznacza w konsekwencji bezpieczną eksploatację kotła i całej instalacji spalania odpadów, bez awarii i nieprzewidzianych przerw, tak że eksploatacyjna gotowość może być wtedy gwarantowana na poziomie 7800-8100 h/rok.


 

 
Aby sprostać tym wymaganiom, konieczne stało się m.in. ograniczenie parametrów pary wylotowej kotłów do termicznej utylizacji odpadów do następujących wartości: temperatura – ok. 380 – 420ºC oraz ciśnienie – ok. 40 – 45 barów.
Ograniczenie temperatury pary do powyższych wartości oraz umieszczenie przegrzewacza(-y) pary w takiej części ciągu konwekcyjnego kotła, gdzie temperatura spalin nie przekracza już 650ºC, powoduje, że znajdujemy się po „bezpiecznej” stronie krzywych wykresu. Powyższe wartości ciśnienia pary przekładają się na ciśnienie w parowniku na poziomie nieprzekraczającym 55 barów, a to z kolei odpowiada temperaturze ok. 270ºC.
Obudowę komory paleniskowej stanowią ekrany parownika, a temperatura płomienia sięga w tej części 1200ºC. Te części elementów wymiany ciepła pracują więc w warunkach wysokiego zagrożenia intensywną korozją wysokotemperaturową. Dlatego we wszystkich kotłach odzyskowych, bezpośrednio zintegrowanych z paleniskiem, ekrany (ściany) komory paleniskowej pokryte są wymurówką, która chroni je przed bezpośrednim kontaktem ze spalinami. Na ściany boczne komory spalania w strefie bezpośrednio nad rusztem (oddziaływanie mechaniczne i termiczne) stosuje się płyty lub kształtki karborundowe. Charakteryzują się one bardzo wysoką wytrzymałością temperaturową (do 1200°C) i niską przyczepnością, co w pewnym stopniu blokuje możliwość tworzenia się na tych powierzchniach narostów. Wymurówkę komory spalania nad rusztem i komory dopalania (pierwszego ciągu kotła) projektuje się tak, by:
·      zapewnić osiągnięcie optymalnych warunków spalania i taką wymianę ciepła, by mogło być zapewnione osiągnięcie wymaganych prawem warunków prowadzenia procesu spalania odpadów (minimalizowanie strat ciepła w strefie komory spalania i w pierwszym ciągu kotła),
·      blokować tworzenie się narostów na ścianach bocznych (przede wszystkim komory spalania),
·      zabezpieczyć ściany szczelne, szczególnie w strefie komory spalania przed korozyjnym działaniem spalin,
·      gwarantować osiągnięcie długich okresów pracy kotła między przeglądami.


 
Rys. 4. Sposoby wprowadzania pierwotnego powietrza spalania w warstwę odpadów na ruszcie


Powierzchnie ścian bocznych, ściany czołowej i tylnej w strefie komory dopalania zabezpieczane są przewodzącą ciepło karborundową masą narzutową, co gwarantuje odpowiednią wymianę ciepła, a jednocześnie stanowi dobre zabezpieczenie antykorozyjne. Wysokość, do jakiej wykonuje się wymurówkę narzutową, oraz jej grubość projektowane są tak, by zapewnić wymagania procesowe, tzn. minimum dwie sekundy przebywania spalin w temperaturze co najmniej 850°C. W praktyce oznacza to, że wysokość wymurówki (narzutowej) projektuje się tak, by osiągnąć schłodzenie spalin do temperatury poniżej 900ºC. Jak pokazuje rys. 2, są to wartości odpowiadające już bezpiecznemu obszarowi pracy.
Wielu inwestorów żąda dodatkowego zabezpieczenia ekranów powyżej wymurówki, mając na celu długotrwałą eksploatację kotła bez konieczności naprawy lub wymiany ekranów. Powszechnie w takich wypadkach stosowanym zabezpieczeniem jest napawanie ekranów dwumilimetrową warstwą stopu niklu INCONEL 625 (fot. 1). Jest to zabieg kosztowny, ale dający bardzo dobre rezultaty.



Rys. 5. Przykłady rozmieszczenia dysz powietrza wtórnego i schematy zawirowania strugi spalin
 

Są próby budowy kotłów do termicznej utylizacji odpadów na wyższe parametry i wtedy zawsze jest to związane z napawaniem (tzw. claddingiem) całych ekranów ciągów opromieniowanych, a także pęczków przegrzewacza. W rezultacie podwyższa się nakład inwestycyjny na wykonanie tych fragmentów ścian kotła, ale uzyskuje się dzięki temu wyższą sprawność termiczną obiegu.
Ze względu na korozję niskotemperaturową kotły odzyskowe projektuje się tak, by na wylocie z kotła temperatura spalin nie była niższa niż 170°C. Unika się dzięki temu rosienia na powierzchniach rur podgrzewacza ECO. Innym problemem związanym z występowaniem korozji niskotemperaturowej jest długotrwały postój kotła. Na schłodzonych powierzchniach kotła może skraplać się wtedy para wodna, która w połączeniu z osadami nagromadzonymi na rurach tworzy agresywne związki przyspieszające korozję (fot. 2). Przeciwdziała się temu niekorzystnemu zjawisku, stosując rozwiązania pozwalające na utrzymywanie kotła podczas postoju w stanie gorącym. Realizuje się to poprzez doprowadzenie pary niskociśnieniowej (np. z kotła drugiej, równoległej linii technologicznej spalania odpadów) do dolnych kolektorów parownika lub rur opadowych, tak aby wywołać cyrkulację wody i rozprowadzenie ciepła po całym kotle. Dąży się do tego, by osiągnąć i utrzymać temperaturę części ciśnieniowej kotła na poziomie ok. 120ºC.
We wstępie wspomniano również o korozji erozyjnej. Zasadą, jaką stosuje się w celu uniknięcia lub zminimalizowania tego zjawiska, jest ograniczenie prędkości spalin do wartości nieprzekraczających ok. 5 m/s oraz stosowanie łagodnych nawrotów spalin na przejściach przez kolejne ciągi kotła. Dzięki tym zabiegom udaje się w bardzo dużym stopniu ograniczyć erozyjne zużycie powierzchni wymiany ciepła w kotle.
Nawet najlepiej zaprojektowany kocioł musi być jednak prowadzony zgodnie z wytycznymi projektanta przez załogę o wysokiej kulturze technicznej.


Rys. 6. Wprowadzanie powietrza tercjalnego – schładzanie ścian bocznych

 
Przyczyny występowania korozji w kotłach do spalania odpadów to:
·      krótko- i długotrwałe, częste, znaczące wahania parametrów spalanych odpadów, a przede wszystkim wartości opałowej, gęstości i granulacji oraz zawartości np. popiołu i wilgoci,
·      czasowe i ilościowe zróżnicowanie składu chemicznego i zawartości składników, takich jak chlor, fluor, potas, sód i siarka,
·      duże i częste zmiany obciążenia lub praca poza projektową charakterystyką paleniska, nadmierne przeciążanie termiczne (poza projektowo przewidziany przedział dopuszczalnych przeciążeń),
·      zmieniające się zabrudzenie powierzchni ogrzewalnych poprzez zmianę własności popiołu/szlaki – punkt płynięcia i mięknięcia, ziarnistość itp.,
·      niewystarczające wymieszanie i ujednorodnienie odpadów w bunkrze, brak nadzoru, błędy obsługi.
Należy jednak pamiętać, że wszystkie zabiegi w zakresie ochrony kotła przed korozją prowadzą jedynie do jej ograniczenia, nie eliminują jej jednak zupełnie.


 
Powierzchnie ogrzewalne kotła i ich eksploatacyjne oczyszczanie
Silne zabrudzenie powierzchni ogrzewalnych kotła to kolejne wyzwanie, jakiemu muszą sprostać projektanci i użytkownicy kotłów odzyskowych w instalacjach termicznego przekształcania odpadów, by zapewnić bezpieczną pracę i wysoką gotowość eksploatacyjną kotła. Na skutek wywołanego eksploatacją zanieczyszczenia powierzchni kotła (fot. 3 i 4) dochodzi do pogorszenia wymiany ciepła i wzrostu temperatury wylotowej spalin, a tym samym do spadku jego sprawności. Pogłębia się również niebezpieczeństwo wystąpienia korozji oraz zmusza w ostateczności do odstawienia kotła i całej instalacji ze względu na rosnące opory przepływu spalin. Wzrost temperatury wylotowej spalin, wywołany zakłóceniem wymiany ciepła wskutek zanieczyszczenia powierzchni wymiany ciepła, oznacza nie tylko spadek sprawności kotła, ale może także spowodować zakłócenie procesowe w zespołach oczyszczania spalin znajdujących się za kotłem.



 
Rys. 7. Rozwiązanie konstrukcyjne uszczelnienia rusztu z częścią ciśnieniową oraz wprowadzania powietrza tercjalnego

 
Obecnie, w zależności od konstrukcji kotła oraz rodzaju powierzchni ogrzewalnej, stosuje się kilka metod eksploatacyjnego oczyszczania powierzchni. Do najbardziej rozpowszechnionych i najskuteczniejszych należą zdmuchiwacze, strzepywacze i zraszacze.
Zdmuchiwacze z wykorzystaniem pary lub sprężonego powietrza jako czynnika czyszczącego są skutecznymi i powszechnie stosowanymi w energetyce urządzeniami do czyszczenia powierzchni wymiany ciepła w kotłach. W kotłach do termicznego przekształcania odpadów wykorzystywane są niemal wyłącznie do czyszczenia pęczków konwekcyjnych zabudowanych w ciągach pionowych.
Do oczyszczania pęczków konwekcyjnych zabudowanych w ciągach poziomych stosuje się niemal wyłącznie strzepywacze, które w zależności od siły wywołującej efekt czyszczenia można podzielić na strzepywacze mechaniczne i pneumatyczne.
Elementem wykonawczym strzepywaczy mechanicznych (fot. 5) są młotki stalowe, wahliwie zamocowane na obracającym się wale. Podczas obrotu wału młotki uderzają w groty trzpieni, a te z kolei przenoszą energię uderzenia na dolne kolektory konwekcyjnych pęczków, zawieszonych wzdłuż ciągu kotła. Wywołując drgania pęczków, powodują odrywanie się osadów z powierzchni rur. Strzepywacze pneumatyczne spełniają identyczną funkcję, różnią się jednak konstrukcją. Głównym elementem strzepywacza pneumatycznego jest wózek z zamocowanymi cylindrami pneumatycznymi. W ustalonym cyklu wózek podjeżdża do każdego punktu strzepywania, wtedy impuls sprężonego powietrza wywołuje uderzenie bijaka w grot. Zaletą strzepywaczy pneumatycznych jest możliwość regulowania siły uderzenia oraz ustawienia dowolnych sekwencji strzepywania.
Ze względu na budowanie kotłów o coraz większych mocach cieplnych, a tym samym gabarytach, ciągi poziome przekraczają niekiedy nawet 9 m szerokości. Dla zapewnienia odpowiedniego efektu strzepywania konieczne stało się więc instalowanie strzepywaczy po obu stronach ciągu konwekcyjnego.
Strzepywacze pneumatyczne stosuje się również do oczyszczania opromieniowanych ekranów ciągów pionowych. Zasada działania polega na uderzaniu bijaka w ekran i wywołaniu drgań ekranu, co w konsekwencji prowadzi do odrywania się nagarów z powierzchni ścian ciągu opromieniowanego.
W ostatnich latach wdrożono nowy system oczyszczania opromieniowanych ekranów w ciągach pionowych za pomocą zraszania wodą podczas normalnej pracy kotła. Jedna z firm opracowała i wdrożyła system zraszania, którego zasada działania polega na wprowadzaniu przez otwór w stropie kotła giętkiego ognioodpornego przewodu z przymocowaną na jego końcu dyszą i rozbryzgiwaniu wody na zaszlakowane ekrany (rys. 3 i fot. 6). Na skutek gwałtownego odparowywania wody następuje rozrywanie szlaki, która opada na ruszt.
Stosowane są również, jednak w ograniczonym zakresie i w ekstremalnych warunkach zażużlenia, metody wybuchowe, które polegają na detonowaniu niewielkich ładunków wybuchowych, co powoduje odpadanie osadów.
Do oczyszczania pęczków podgrzewaczy wody ECO w pionowych ciągach kotłów używa się często instalację nazywaną obrazowo „deszcz kulek”. W rozwiązaniu tym wykorzystywana jest energia kinetyczna spadających metalowych kulek, które spadając, odbijają się od rur i powodują ich oczyszczanie.
Stosowanie wyżej opisanych metod pozwala na osiąganie podczas normalnej eksploatacji zadowalającego stopnia oczyszczania powierzchni wymiany ciepła. Trzeba jednak pamiętać, że strumień spalin schładzanych w poszczególnych ciągach kotła niesie za sobą znaczne ilości pyłów – w zależności od prowadzonego procesu spalania jest to od 3 do 5 g/m3N. W trakcie pracy kotła następuje, pomimo stosowania opisanych systemów czyszczenia, ciągłe zwiększanie się stopnia zabrudzenia powierzchni ogrzewalnych, aż do stanu uniemożliwiającego jego dalszą eksploatację. Kocioł trzeba wtedy odstawić i przeprowadzić ręczne czyszczenie wszystkich powierzchni wymiany ciepła. Wyznacznikiem zdolności kotła do eksploatacji ze względu na zabrudzenie powierzchni ogrzewalnych jest przedział czasowy pomiędzy kolejnymi odstawieniami kotła do ręcznego czyszczenia. W języku potocznym do określenia tego czasu przyjął się powszechnie termin „Reisezeit”. Kryteriami, które decydują o tym, że „Reisezeit” się zakończył i kocioł powinien być odstawiony (wyłączony), są zazwyczaj dwa monitorowane parametry pracy kotła, a mianowicie temperatura spalin na wylocie z kotła oraz spadek ciśnienia spalin.
Poziom graniczny tych parametrów określa projektant instalacji termicznej utylizacji odpadów, ze względu m.in. na system oczyszczania spalin funkcjonujący za kotłem i na parametry pracy wentylatora wyciągowego. Najczęściej jest to temperatura spalin na poziomie 210-230ºC i przy ciśnieniu poniżej 8 mbarów. Ten czas pomiędzy kolejnymi wyłączeniami jest zwykle jednym z parametrów gwarancyjnych i jest on obłożony karami za jego niedotrzymanie. Stosowane obecnie rozwiązania projektowe i techniczne w kotłach do termicznego przekształcania odpadów pozwalają gwarantować, że czas pracy kotła, prowadzonego zgodnie z warunkami projektowymi, w zależności od jego konstrukcji, morfologii odpadów i zastosowanych środków technicznych, wynosić będzie od 6 tys. (dla instalacji spalania odpadów przemysłowych i niebezpiecznych) do 8,1 tys. godzin (dla instalacji spalania odpadów komunalnych).



 
Fot. 8. Widok komory spalania wraz z obmurzem i dyszami powietrza wtórnego oraz otworowanymi płytami na ścianie bocznej

 
Praktyka pokazuje, że proces narastania stopnia zanieczyszczenia powierzchni wymiany ciepła nie jest procesem liniowym. To znaczy, że już po ok. 1500 – 2000 godzin pracy grubość osadów na powierzchniach ogrzewalnych kotła osiąga mniej więcej połowę swojej maksymalnej grubości. W dalszej fazie eksploatacji narastanie stopnia zanieczyszczenia przebiega wolniej, aż osiągnięty zostanie poziom, przy którym kocioł będzie musiał być wyłączony – osiągnie swój „Reisezeit”, np. 8 tys. godzin.
Spotyka się też instalacje TPOK, które dzięki umiejętnemu prowadzeniu procesu spalania osiągają znacznie lepsze rezultaty i nie wymagają corocznego czyszczenia kotłów. Przykładem może być zakład spalania odpadów w Evreux we Francji, gdzie pracują dwa kotły typu OS-17, które po przepracowaniu 8 tys. godzin i po przeprowadzeniu rewizji zostały dopuszczone do eksploatacji na kolejny rok bez ręcznego czyszczenia.
Ręczne czyszczenie kotła jest zabiegiem dość skomplikowanym technicznie ze względu na możliwość zanieczyszczenia środowiska. Tylko nieliczne firmy dysponujące odpowiednim sprzętem i doświadczeniem mogą być dopuszczone do tych prac. Koszty ręcznego czyszczenia są znaczące, a konieczność jego częstego stosowania zdecydowanie obniża rentowność zakładu termicznej utylizacji odpadów. Po ręcznym czyszczeniu powierzchnie kotła odzyskują w dużej mierze, choć nie w pełni, swoje pierwotne możliwości wymiany ciepła i okres eksploatacyjny jest liczony od nowa (fot. 7).


Ochrona środowiska
Segment kotła odzyskowego i zintegrowanego z nim paleniska są w pewnym stopniu „odpowiedzialne” – niezależnie od segmentu oczyszczania spalin – za zapewnienie takiego funkcjonowania instalacji TPOK, by pod względem emisji do powietrza i jakości „produktów” spalania były one jak najbardziej przyjazne dla środowiska. Funkcjonowanie instalacji TPOK regulowane jest unijnymi (a w ślad za nimi krajowymi) przepisami, o których wspomniano już wcześniej. Można powiedzieć, że spośród parametrów procesowych, określonych w tych regulacjach, segment paleniska i zintegrowanego z nim kotła odzyskowego w pełni lub też w bardzo znaczącym stopniu odpowiedzialne są za jakość produktów spalania (ocenianą przy pomocy takich parametrów jak strata na prażeniu lub zawartość TOC w żużlach, popiołach i pyłach lotnych), emisję CO, tlenków azotu, dioksyn i furanów oraz sumę Corg w spalinach. Od rozwiązań procesowych tego segmentu i jakości prowadzenia procesu spalania zależy też zawartość popiołów w spalinach surowych, a ta z kolei decyduje o innych zjawiskach w obszarze paleniska i kotła odzyskowego, składających się na całościowo rozumiane bezpieczeństwo techniczne i ekologiczne funkcjonowania instalacji TPOK.
Dyrektywa spalarniowa i krajowe rozporządzenia wymagają, by w instalacjach TPOK, poprzez odpowiednie zaprojektowanie segmentu spalania, a następnie właściwe prowadzenie procesu spalania, zapewnić minimalny czas 2 s przebywania spalin w temperaturze powyżej 850°C. Jest to warunek procesowy, aby zapewnić unieszkodliwienie w palenisku dioksyn i furanów. Tak długie czasy przebywania spalin w wysokich temperaturach uzyskuje się – oprócz odpowiedniego dymensjonowania komory dopalania – także poprzez stosowanie okładzin i wymurówek w komorach paleniskowej i dopalania (pierwszym ciągu kotła). Wymurówka i wykładziny ognioodporne, oprócz zapewniania ochrony przed korozją (o czym wspominano już wyżej), „spowalniają” schładzanie spalin w pierwszym ciągu kotła. W rozwiązaniach projektowych segmentu paleniska i kotła odzyskowego muszą być uwzględnione jeszcze inne czynniki procesowe, a mianowicie wprowadzenie (sposób i ilość) powietrza do spalania (tzw. powietrza pierwotnego), zawirowanie strugi spalin w komorze dopalania i związany z tym sposób wprowadzenia tzw. powietrza wtórnego i ewentualna recyrkulacja spalin oraz minimalizowanie unosu pyłów lotnych z pokładu spalanych odpadów.
Cechą charakterystyczną dla poszczególnych rozwiązań rusztów schodkowych jest sposób wprowadzenia powietrza w warstwę odpadów na ruszcie (rys. 4).
Ze względu na zmienne ilości odpadów na ruszcie (na długości rusztu i w kierunku poprzecznym) oraz zmienną wysokość i gęstość tej warstwy istotne jest takie rozwiązanie konstrukcyjne rusztowin, by zapewnione było jak najbardziej równomierne (powierzchniowo) rozdzielenie doprowadzanego powietrza do warstwy spalanych odpadów. Zróżnicowana i stale zmieniająca się wysokość warstwy odpadów na ruszcie powoduje, że w bardzo różnym stopniu dławiony jest (w poszczególnych fragmentach powierzchni rusztu – sekcji rusztu) wypływ powietrza pierwotnego. W miejscach „kraterów” w warstwie odpadów wypływ powietrza pierwotnego spod rusztu może być burzliwy, co skutkuje unoszeniem (wyrywaniem) dużej ilości cząstek (popiołów) lotnych. Innym ujemnym skutkiem jest występowanie lokalnych ognisk niepełnego palenia się odpadów (w miejscach, gdzie dławienie wypływu powietrza jest relatywnie nadmierne), co skutkuje powstawaniem strug spalin o wyższej zawartości CO. A zwiększona zawartość CO w spalinach potęguje – jak już wspomniano – zjawisko korozji na powierzchniach wymiany ciepła – tzw. korozja CO i korozja chlorowa.
Pod tym względem systemy rusztów z układem stycznego wprowadzania powietrza pierwotnego do warstwy spalanych odpadów wykazują znacznie mniejszą wrażliwość na zmiany dławienia wypływu powietrza spalania i charakteryzują się lepszymi właściwościami eksploatacyjnymi, ze wszelkimi tego konsekwencjami w zakresie bezpieczeństwa technicznego i ekologicznego segmentu i całej instalacji.
Stosowanie w niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych rusztu stopniowania jego pokładu, tzn. budowanie rusztu z jednym lub dwoma uskokami wzdłuż długości, ma zapewnić dobre przewracanie, rozdrabnianie spieczonych brył i spulchnianie warstwy odpadów na ruszcie, a tym samym jak najlepsze ich wypalenie. Takie rozwiązanie konstrukcyjne jest przydatne szczególnie w przypadkach rusztów o mniejszych kątach nachylenia do poziomu. Jednak w przypadkach stosowania stopniowanych pokładów rusztu należy jednocześnie liczyć się z pewnymi ujemnymi skutkami stosowania uskoków pokładu rusztu. Chodzi o to, że w strefach uskoków dochodzi do uwalniania się z warstwy spalanych odpadów znaczących ilości stałych składników, które porywane są ze spalinami. W takich systemach rusztu mierzono – w porównywalnych warunkach procesowych – większe o 2-3 g/m3 zawartości popiołów lotnych w spalinach surowych, a to z kolei skutkuje większymi problemami eksploatacyjnymi w strefie schładzania spalin (w kotle) oraz w strefie oczyszczania spalin. Większa zawartość popiołów lotnych w spalinach oznacza również zwiększoną skłonność do wtórnej syntezy dioksyn i furanów – w obszarze końcowych ciągów kotła – np. na poziomie pęczków ECO.
Ważne jest również to, żeby już sama konstrukcja rusztowin wywoływała na tyle duży opór przepływu powietrza, by był on znacznie większy od oporów przepływu powietrza przez warstwę odpadów na ruszcie. Wtedy zmiany (zróżnicowanie) dławienia wypływu, wywołane zmiennością w warstwie odpadów na ruszcie (wysokość warstwy, wilgotność, morfologia) w mniejszy sposób będą wpływać na sumaryczny opór przepływu powietrza i na tworzenie się warunków do zwiększonego unosu popiołów i zawartości CO w spalinach. Tak więc zawartość CO i pyłów lotnych w spalinach surowych (nieoczyszczonych) są kryterialnymi wielkościami do oceny jakości rusztu.
Na zawartość CO i TOC w spalinach surowych, poza warunkami prowadzenia spalania na ruszcie, mają jeszcze wpływ warunki procesowe w komorze dopalania ponad rusztem – w pierwszym ciągu opromieniowanym kotła. Poprzez odpowiednie ukształtowanie geometrii tego ciągu i wprowadzanie powietrza wtórnego uzyskuje się duże zawirowanie strugi spalin, co zwiększa czas przebywania spalin w tej strefie i w odpowiedniej temperaturze oraz pozwala na pełniejsze utlenienie niespalonych składników unoszonych z warstwy spalanych odpadów. Strumień powietrza wtórnego, wprowadzanego ponad ruszt w dolnej strefie pierwszego ciągu kotła (komory dopalania), w ilościach odpowiadających 10-30% całkowitej ilości powietrza spalania, powoduje intensywne wymieszanie cząstkowych, zróżnicowanych temperaturowo strumieni spalin z różnych stref pokładu rusztu oraz dopalenie stałych i gazowych składników gazów spalinowych (pyły lotne, CO, Corg, CnHm). Strumienie powietrza wtórnego wprowadzane są do komory dopalania dyszami, rozmieszczonymi najczęściej na dwóch przeciwległych ścianach komory, przy czym ze względu na konieczność maksymalnego zawirowania strugi spalin istotne jest odpowiednie rozmieszczenie dysz (z uwzględnieniem geometrii komory dopalania) oraz zróżnicowanie ilościowe w rozdziale strumienia powietrza wtórnego (ściana czołowa i tylna komory dopalania). W niektórych rozwiązaniach projektowych dysze doprowadzające powietrze wtórne umieszczane są we wszystkich narożach ścian komory dopalania (rys. 5).
Rozmieszczenie dysz powietrza wtórnego w strefie wysokich temperatur wymaga stosowania odpowiednich środków zaradczych przeciwko tworzeniu się nagarów i zgorzeliny na wylotach strugi powietrza, które blokowałyby przepływ powietrza. Do dysz powietrza wtórnego może być doprowadzane powietrze „pobierane” wspólną lub odrębną dmuchawą z bunkra odpadów, z budynku kotła lub z niektórych urządzeń instalacji, które wymagają odpowietrzania, np. z kanału mokrego odżużlania czy ze zbiorników kondensatu NH3/H2O w zespole recyrkulacji amoniaku po SNCR, przy czym często powietrze wtórne, podobnie jak powietrze pierwotne, może być też podgrzewane.
Na fot. 8 pokazano fragment rusztu typu posuwisto-zwrotnego wraz z wymurówką dolnej części komory paleniskowej. Na prawym i lewym sklepieniu widać otwory dysz powietrza wtórnego i spalin recyrkulowanych, a w górnej części jeden z palników rozpałkowo-wspomagających. Na ścianie bocznej komory spalania widoczne są również otworowane płyty ceramiczne, bezpośrednio nad rusztem, przez które wprowadzane jest do komory spalania dodatkowe powietrze, tzw. tercjalne. Powietrze to tylko w nieznacznym stopniu bierze udział w spalaniu odpadów na ruszcie. Tworzy natomiast w pobliżu ścian bocznych komory spalania warstwę schładzającą, która ogranicza tworzenie się narostów. Części lotne porywane ze złoża spalanych odpadów schładzane są w tej strefie, co blokuje możliwość tworzenia się narostów w tym obszarze komory spalania. Istotę zastosowania powietrza tercjalnego, wprowadzanego przez boczne płyty chłodzące, pokazano na rys. 6.
Rozwiązania procesowe w tym segmencie instalacji pozwalają także na częściowe ograniczenie powstawania tlenków azotu. Ponieważ przy spalaniu odpadów komunalnych emisja tlenków azotu w przeważającej części jest pochodzenia paliwowego (pochodzi z chemicznego utleniania azotu zawartego w paliwie), daje się ją w niewielkim stopniu ograniczać metodami pierwotnymi. Nie można na pewno uzyskać wystarczających efektów dla zagwarantowania emisji na wymaganym poziomie średniodobowo – 200 mg/m3N. Spośród metod pierwotnych najskuteczniejszym sposobem jest recyrkulacja spalin, które polega na ponownym wprowadzaniu do komory dopalania części strumienia spalin – po ich odpyleniu. Wprowadzenie recyrkulowanych spalin spełnia podwójna funkcję: jest jednym z tzw. pierwotnych sposobów na obniżenie emisji NOx oraz jest energetycznie korzystnym sposobem uzyskania dobrego zawirowania strumienia spalin w komorze dopalania i pozwala utrzymać wartości współczynnika nadmiaru powietrza na optymalnym poziomie.
W praktyce metodami pierwotnymi udaje się doprowadzić do emisji na poziomie średniodobowo 300-350 mg/m3N. W celu głębszej redukcji NOX trzeba posłużyć się metodami wtórnymi już w segmencie oczyszczania spalin – za pomocą metody niekatalitycznej lub katalitycznej redukcji (SNCR-u lub SCR-u).
Ważnym zagadnieniem, które wymagało rozpracowania w tym segmencie instalacji TPOK, było uzyskanie należytej szczelności traktu spalinowego od paleniska do komina. W części kotłowej zapewnienie szczelności dało, znane też z dużych kotłów tradycyjnych, obudowanie traktów spalinowych ekranami membranowymi, które przy prawidłowym wykonaniu dają pełną szczelność. Trudniejszym zagadnieniem jest uzyskanie szczelności na połączeniu chłodzonych elementów ciśnieniowych kotła z elementami niechłodzonymi ze względu na różną dylatację. Szczególnie skomplikowane jest to na połączeniu rusztu z ekranami komory paleniskowej. Oprócz dużej dylatacji mamy tu do czynienia z bardzo wysokimi temperaturami. Każda z czołowych firm oferujących technologię TPOK ma własne rozwiązanie konstrukcyjne dla tych połączeń zespołów, polegające na zastosowaniu wielu warstw wymurówki, osłon termicznych oraz mat żaroodpornych. Wspólną cechą tych rozwiązań jest zastosowanie kompensatorów tkaninowych, które zapewniają wystarczającą szczelność, odporność na temperaturę oraz możliwość dylatacji we wszystkich kierunkach. Również na połączeniu części ciśnieniowej z niechłodzoną obudową kanałów spalin, a także na wylocie spalin z kotła stosowane są powszechnie kompensatory tkaninowe. Na rys. 7 pokazano przykład uszczelnienia na połączeniu części ciśnieniowej z rusztem jednej z firm oferujących rusztowe systemy spalania odpadów komunalnych. Pokazano też na nim rozwiązanie konstrukcyjne doprowadzenia i rozprowadzenia powietrza tercjalnego.
Trudnym zadaniem, w przypadku kotłów z konwekcyjnym ciągiem poziomym, jest również uszczelnienie ekranów ścian bocznych z pęczkami powierzchni ogrzewalnych. Stosowane są różne rozwiązania, a wszystkie sprowadzają się do szczelnego połączenia elementów ciśnieniowych pomiędzy sobą za pomocą spawanych lub skręcanych wstawek blaszanych. Jak już wspomniano, eksploatacja i obsługa tego typu kotłów jest trudna i wymaga stałego nadzoru i możliwości dojścia do każdego elementu wewnątrz kotła. Do tego służą wzierniki i włazy remontowe, które jednak mogą być źródłami potencjalnych nieszczelności. Dlatego stosuje się wyłącznie szczelne wzierniki i włazy, które po wyprodukowaniu przechodzą próbę szczelności. W miejscach zabudowy o wysokiej temperaturze spalin włazy dodatkowo wyposaża się we wkłady żaroodporne.
Co do zasady, wszystkie kotły do termicznej utylizacji odpadów projektuje się na podciśnienie po stronie spalin. Dlatego nawet w przypadku powstania nieszczelności mamy do czynienia z zasysaniem powietrza z otoczenia do kotła, a nie z wypływem spalin na zewnątrz. Niemniej jednak wszelkie powstałe nieszczelności należy natychmiast usuwać ze względu na możliwość wystąpienia pulsacji paleniska. Zjawisku temu towarzyszą chwilowe wahania ciśnienia spalin i ich wzrost powyżej ciśnienia otoczenia. Źródłem wzrostu ciśnienia spalin może być również stosowanie parowych zdmuchiwaczy popiołu, a także rozszczelnienie systemu ciśnieniowego kotła. Może to spowodować wydostanie się spalin do otoczenia i zanieczyszczenie powietrza szkodliwymi substancjami oraz pyłami. Układ czujników procesu spalania oraz zespołów segmentu spalania i odzysku ciepła, a także właściwy nadzór nad funkcjonowaniem tego segmentu pozwalają jednak, w pewnym stopniu wyprzedzająco, wychwycić wstępne objawy zmiany pracy kotła i podjąć decyzję o jego wyłączeniu – niekiedy w trybie awaryjnym.
W opisywanym tu segmencie instalacji spalania odpadów „decyduje się” jeszcze jedna ważna kwestia, która składa się na ocenę jakości ekologicznej tej metody postępowania z odpadami komunalnymi. Chodzi mianowicie o stopień zanieczyszczenia produktów spalania – żużli. Celem polepszenia warunków procesowych w komorze spalania (lepsze wypalenie odpadów na ruszcie, mniejsza zawartość części organicznych w żużlu) część strumienia powietrza pierwotnego, doprowadzanego pod środkowe sekcje rusztu (strefa maksymalnego palenia się odpadów), zaczęto wzbogacać technicznie czystym tlenem. Podwyższenie zawartości tlenu w powietrzu pierwotnym do 26-35%, skutkuje wzrostem temperatury w warstwie odpadów na ruszcie – nawet o 200°C w stosunku do warunków w „zwykłych” systemach rusztowych. Dzięki temu uzyskuje się żużle o znacznie lepszej jakości ekologicznej – w większym stopniu niszczone są związki organiczne zawarte w odpadach, metale ciężkie o niskich ciśnieniach par lepiej wiązane są w żużlach, a metale ciężkie o niskich temperaturach topnienia „przechodzą” w większym stopniu do popiołów lotnych i pyłów. Żużle po spalaniu odpadów mogą więc być bezpośrednio – właściwie bez dodatkowej przeróbki, poza rozdrabnianiem i frakcjonowaniem – wykorzystywane. Innym pozytywnym skutkiem takiego wzbogacania tlenem jest obniżenie wartości współczynnika nadmiaru powietrza spalania, dzięki czemu „produkuje” się mniej spalin, które muszą być następnie schładzane (mniejsze wymiary powierzchni wymiany ciepła w kotle) oraz oczyszczane (mniejsze wymiary zespołów segmentu oczyszczania spalin). Wzbogacenie powietrza do spalania czystym tlenem skutkuje jednak zwiększeniem zawartości tlenu w spalinach, a to z kolei jest jednym z czynników sprzyjających wtórnej syntezie dioksyn i furanów w końcowych odcinkach schładzania spalin.
Decyzja o ewentualnym zastosowaniu tego rozwiązania procesowego w warunkach polskich nie powinna jednak być automatyczna, mimo że takie rozwiązania są dostępne na rynku i oferowane są przez kilka firm. W niektórych publikacjach, bazując na prospektowej jedynie wiedzy, takie rozwiązanie dość mocno się zaleca. Decyzja o zastosowaniu takiego rozwiązania powinna jednak być skonfrontowana przynajmniej z realną możliwością i potrzebami jakościowymi wykorzystania żużli po spalaniu odpadów. Aby można było zastosować to rozwiązanie procesowe, instalację spalania odpadów trzeba by było wyposażyć w dodatkowy zespół technologiczny separowania tlenu z powietrza. Oprócz nakładów inwestycyjnych wiązałoby się to z dodatkowym, wewnątrz-instalacyjnym zużyciem energii. Jeśli więc chcielibyśmy w naszych warunkach dążyć do osiągania jak najwyższej efektywności energetycznej instalacji TPOK, to włączenie takiego dodatkowego energochłonnego zespołu w ramach całej instalacji nie byłoby najrozsądniejsze. W aktualnej sytuacji prawnej w Polsce (możliwość kwalifikowania energii elektrycznej z instalacji TPOK jako „zielonej energii”) i wobec oczekiwanego rozwiązania prawnego, które zapewne wprowadzi niebawem Unia Europejska (nowa dyrektywa ramowa o odpadach z zapisem o możliwości uznania instalacji TPOK za instalację realizującą proces odzysku odpadów – R1, gdzie kryterium do takiego uznawania jest właśnie efektywność energetyczna instalacji) powinny być raczej preferowane jako zdecydowanie bardziej „opłacalne” takie rozwiązania układów technologicznych instalacji TPOK, w których gwarantowany będzie jak najwyższy stopień odzysku energii z odpadów. Wdrożenie rozwiązania ze wzbogacaniem powietrza spalania czystym technicznie tlenem bez dokładnej analizy ekonomicznej mogłoby okazać się kwiatkiem do kożucha. Trzeba bowiem mieć na uwadze, że „zwykłe” rozwiązania rusztowych systemów spalania, przy właściwym prowadzeniu procesu spalania odpadów, pozwalają na uzyskanie żużli o wystarczająco dobrych jakościowo parametrach ekologicznych. Rozwiązanie technologiczne ze wzbogacaniem powietrza spalania czystym tlenem można raczej traktować jako pewną opcję do rozważenia – już w trakcie funkcjonowania instalacji.
 
Witold Stogniew
RAFAKO, Racibórz
dr inż. Henryk Skowron
 
Przy przygotowywaniu artykułu wykorzystano opracowanie J. Kümmel: Dampfkessel in Hausmüll – bzw. Restmüll-Verbrennungsanlagen, Neuss, materiały informacyjne firm: Von Roll Inova, Martin GmbH, RAFAKO, TAN Nürnberg i Clyde Bergemann oraz zdjęcia własne autora.